冶金业微波加热发展走势论文

　　1微波干燥

　　当微波辐射进入湿物料时极性水分子随微波的频率作同步旋转(用915MHz微波每秒可转动915亿次)与物料所产生的瞬时摩擦热导致物料升温水分逸出物料失水干燥。与从外向内加热物料的传统加热方式不同微波使物料成了“发热体”是内加热而且微波从各个方向同时进入物料既不需要传热介质也无需流体对流和温度梯度。与远红外加热相比因辐射穿透深度和波长为同一数量级微波加热对应的波长为十几毫米到几十厘米除大型物体外一般都可穿透全部物料整体同时快速升温而远红外加热的波长在56~1000μm故穿透能力差只能在物体表面薄层发热要靠热传导热才能进入内部不仅加热升温慢而且易造成物料加热不匀。因此微波加热干燥不仅快而且内外均匀无冷中心优势明显[1]。微波干燥应用的新领域不断扩大把微波技术与真空技术有机结合即微波真空干燥能充分发挥微波加热快速、均匀、真空条件下水汽化点低的特点是一项很有前途的干燥技术已开始由实验室转入工业化生产。这种技术很适合用于热敏性物料的干燥我国在上世纪90年代后期已开发出微波真空干燥设备。

　　1.1微波干燥仲钼酸铵[6]

　　仲钼酸铵是钼冶金重要的中间产品和深加工用原料工业生产的仲钼酸铵结晶含有13%~18%的水分传统方法是经离心分离后进入真空(或烘箱)干燥器烘干由于这种干燥方式温度分布不均匀产生局部过热会使仲钼酸铵脱水或结团而影响质量且加热速度慢能耗高。采用微波加热干燥仲钼酸铵水是强极性物质易被加热脱除仲钼酸铵跟水比为弱吸收微波辐射物质因此微波主要是对水作选择性加热在提高产品质量的同时也可节能降低能耗。秦文峰等用微波干燥仲钼酸铵的实验研究证明微波干燥仲钼酸铵对脱水率的影响以干燥时间最大其次是物料质量微波功率影响最小;最佳条件是干燥时间90s、物料质量15g、微波功率525W;在此最佳条件下仲钼酸铵的脱水率达9998%时间仅用90s。因此微波干燥仲钼酸铵可使干燥时间大为缩短、操作简化、粉尘降低在工业上是可行的。该实验研究为微波干燥仲钼酸铵的工业化提供了基本工艺程序与工艺参数。

　　1.2褐铁矿微波脱水[7]

　　褐铁矿(Fe2O3nH2O)资源占江西省总铁矿资源的30%以上因其含结晶水经分选后的褐铁矿含铁最高约55%。采用传统脱水工艺仅能去除颗粒表面吸附水对结晶水无能为力。有个别厂曾用煤燃料焙烧脱水因其污染严重已明令禁止。由于传统脱水技术无法达到铁厂对铁精矿含铁62%以上的要求使大部分褐铁矿资源一直未开发利用;另一方面钢铁厂需大量进口原料。针对这种情况李新冬等采用WHO75-11、微波频率2450±50MHz、功率700W的小型实验用微波装置开展了褐铁矿脱水研究。实验研究发现微波加热过程最初几分钟温度上升较快随后升温渐缓。由微波加热基本原理可知:物质对微波能的吸收与其介电损耗因子(ε″)有关对于由多种组元构成的物料存在加合关系即ε″=∑Viε″iVi、ε″i分别表示组元i的体积分数和介电损耗因子。微波加热褐铁矿其中H2O的ε″较大温度快速提高脱除速度也快;其他组分的ε″值较小只能吸收少量微波能其升温速度慢。因此随褐铁矿中较多水分的快速脱除其升温速度渐缓。实验证明在700W微波辐射功率作用下微波脱水速度远远高于用传统方法加热到250℃的干燥脱水速度不仅能脱除游离水还能脱除结合水从而能将褐铁矿的总铁含量提高到60%而且微波加热温度均匀表里一致热能利用率高既节能又提高生产效率。

　　2微波高温加热的应用

　　2.1微波烧结[5]

　　微波烧结技术是利用微波对材料整体加热至烧结温度而实现材料致密化的方法。微波加热加热速度很快(可达1500℃/min)对某些物料可以很少能量高速加热达到2000℃以上的高温同时因受热物体内温度均匀可降低因膨胀不均匀引起的变形和抑制晶粒长大故所得材料的性能和质量较好。微波烧结概念于上世纪60年代提出1976年在实验室用微波烧制材料获得成功。在微波烧结技术发展初期研究主要集中在容易吸收微波且烧结温度较低的新型陶瓷材料上于80年代中期至90年代中期进入应用开发阶段90年代末开始产业化进程。研究证明微波烧结不仅可用于陶瓷材料而且可以烧结如不锈钢、铜铁合金、铜锌合金、钨铜合金及镍基高温合金并已有微波烧结硬质合金试验及其产业化报导。我国1988年将微波烧结研究列入国家“863计划”研制出多台主要用于陶瓷制造的微波烧结设备。2001年成立了专业公司在陶瓷和特种冶金领域研发成功氮化硅、压敏陶瓷电阻、钕铁硼永磁、锰锌铁氧体软磁、硬质合金等材料的微波烧结工艺技术。专家指出微波烧结技术的成功是材料领域的重大突破在本世纪初期将出现微波烧结材料产业化高潮。

　　2.2微波用于黑钨矿的苏打烧结[8]

　　微波烧结是近些年在硬质合金原料及其生产领域出现的新技术之一。在国外匈牙利开发出仲钨酸铵的微波干燥和脱水技术;乌兹别克将微波加热用于黑钨矿的苏打烧结;德国集中进行硬质合金的微波烧结技术产业化开发。黑钨精矿和苏打的混合物能强烈吸收微波能在适宜微波场强度下试样可于15~20min内加热至820~980℃在该温度下保持10~20min可完成烧结获得高质量的烧结块。在800~850℃下的最佳处理时间为20~30min。实验证明微波能转变为热能的效率跟样品的组成和介电性质有关当苏打含量为30%、烧结的恒温时间为25min时烧结效果最佳烧结块浸出时钨进入钨酸钠溶液的浸出率达99%浸出渣中的WO3含量降至0.88%。我国专家认为这很值得我国仲钨酸铵生产厂家关注。研究结果说明微波烧结的特点是能激发所烧结物料的离子化和交互置换、氧化、相变等物理化学过程促进物料中的矿物产生结构变化使烧结反应完成时间缩短。为实现这一微波烧结新工艺的工业化生产国外开发成功的微波烧结炉(结构见文献[8])总长度15m由4个高频功率为50kW高频发生器供电。烧结试验的烧结块生产能力约为1t/h。初步成本核算表明钨酸钠溶液中每千克钨的成本约为2.4美元。

　　2.3微波煅烧钼酸铵制三氧化钼[9]

　　三氧化钼是钼冶金另一种重要的中间产物和深加工用原料用途广泛其传统生产工艺是将粉状钼酸铵在回转炉中煅烧其缺点是生产时间长、成本高、热效率低、能耗大而且粉料泄漏工作环境差因杂质的进入使产品的纯度和粒度难以保证。秦文峰等针对这种情况研究了微波煅烧钼酸铵制高纯三氧化钼的新工艺。实验结果说明微波对钼酸铵进行整体加热加热速度快不会因局部温度过高而引起三氧化钼挥发和单个颗粒的异常长大所得三氧化钼产品为絮状形貌无菱形粒度较均匀分散度较好杂质含量低;煅烧时间短仅6min为传统方法的1/10。在本实验范围内的最佳条件为:微波功率700W、煅烧时间6min、物料重量6g。在此最佳条件下钼酸铵的分解率为99.67%。煅烧的主要影响因素为:首先是物料重量其次为微波功率和煅烧时间。

　　3微波加热碳还原回收利用冶金尘泥[10]

　　随着我国镀锌钢材等消耗量增加和钢铁厂废钢消耗量快速增长钢铁厂含锌粉尘不断增多目前锌含量<1%的冶金尘泥主要用于烧结配料实现冶金内部的循环利用而含锌量≥1%的冶金尘泥多露天堆放其量以万吨计。为了环保和铁、锌等重要资源的回收利用已成功研发出不少回收工艺(如磁选、回转窑法等物理法和火法、湿法工艺)但在金属回收率、设备腐蚀、环保、成本等方面各有不足之处有待进一步研究。其中令人瞩目的是微波加热技术的运用国外已有(见表1)将微波技术用于碱法浸出炼钢电炉粉尘回收锌的报导。2000年美、日学者提出用微波加热处理含锌冶金尘泥经研究已取得了较好的脱锌效果。在冶金含锌尘泥中加入炭粉和辅料于微波加热下进行氧化铁的碳还原反应。碳能很好地吸收微波可在很短的时间内被加热升温到1053~1556K因此在对碳与金属氧化物的混合物进行微波加热时碳产生的高温使其还原能力明显增强碳对铁的金属氧化物的还原效果显著。冶金尘泥中所含Fe3O4、Fe2O3都属微波敏感材料能够快速升温及时补充还原反应所需的热量促进反应加速进行。近年来我国学者为了加速冶金尘泥资源化进程改进其有价金属的回收利用工艺提出采用微波热还原法处理我国冶金尘泥工艺。采用此法可大大提高加热速度物料中的温度均匀一致利于反应的进行。据报导经实验室试验证明微波加热碳还原回收利用冶金尘泥工艺是可行的为含锌冶金尘泥的资源化开避了一条新途径。

　　4结束语

　　微波加热技术已广泛用于工农业生产以及家庭日用继新型材料研发之后微波加热技术与冶金工业相结合已引起广泛关注不断有研究成果报导。本文介绍的研究工作并非全面但也可看出微波加热技术在各种金属矿产及其冶金工艺上的应用研发工作方兴未艾;微波加热在冶金工业中的应用不论在理论探讨还是在工艺技术、设备的研发和产业化方面都将有良好的发展前景。可以预测在我国冶金工业走自主创新不断改进传统冶金工艺技术实现冶金工业生态化和持续发展的道路上微波加热技术将发挥日益重要的作用。